一种强化沸腾换热的微尺度协同表面结构的制作方法

文档序号:18082745发布日期:2019-07-06 10:13阅读:500来源:国知局
一种强化沸腾换热的微尺度协同表面结构的制作方法

本发明属于强化传热技术领域,设计了一种可以调控汽泡生长过程的微尺度协同表面结构。



背景技术:

以可持续方式不断满足全球能源需求增长的众多挑战中,几十年来,改进相变换热一直处于工程研究的最前沿。与相变传热相关的高传热率对能源和工业应用都至关重要,但相变传热存在在低热密度情况下的换热效率低下问题。而微纳米相关技术可以使表面尺寸结构能够从分子到厘米量级,这些技术能够获得硅基表面、烧结结构和聚合涂层。不同结构表面在实际情况中能够影响多相转化过程。沸腾换热则是指在液体内部以产生汽泡形式进行的汽化过程,物质的汽化潜热巨大,使得沸腾换热具有高热流密度,从而使冷却表面具有高效冷却效果。对于沸腾换热表面的改进工作,已经从传统表面结构(如肋片结构等)发展到当前的微结构表面。而疏水表面涂层能够有效地降低表面的初始沸腾点,能更多地产生汽化核心数目,从而强化沸腾表面传热效果。但是在高热流密度情况下,需要更大的结构尺寸满足汽泡溢出要求。单一尺度微结构表面不能克服沸腾传热过程,热力学非平衡汽泡生长的根本原因在于:单一尺度表面结构不能协调蒸汽溢出与液体吸入对孔径的不同需求。而不同尺度相互协调共同促进沸腾传热的过程,从而满足沸腾传热不同阶段对不同尺度的需求。由此可见,不同尺度协同结构表面能够满足沸腾传热汽泡特性的需求,从而可以较大提升沸腾传热能力。



技术实现要素:

本发明的目的在于克服单一微结构的不足,提出了一种微尺度协同表面结构。

本发明的技术方案:

一种强化沸腾换热的微尺度协同表面结构,包括大槽1、小槽2、连接槽3、微肋4、基面5和超疏水涂层6;所述强化沸腾换热结构的基面5表面,通过机械切削、结构电镀或激光烧灼形成协同尺度表面;在基面5表面通过微肋4分割形成大槽1、小槽2和连接槽3;

所述的大槽1与小槽2为交错排布,大槽1与小槽2由多个均匀、间隔排布的微肋形成,微肋的宽度l3为50-100μm;小槽2的槽宽l1为50-100μm,小槽2槽深h为200-300μm;大槽1的槽宽l2为400-700μm;小槽2通过化学和机械方式形成超疏水涂层6;

所述的连接槽3为同一排微肋,各微肋之间的距离一样;微肋的长度l4为500-800μm,连接槽3的槽宽l5为150-250μm。

本发明的有益效果:在镍基板表面上制造了两种微米级尺度协同微槽结构,且采用连接孔的方式,使两种尺度的微槽道相互贯通。小槽底部涂超疏水涂层从而达到在小槽内产生汽化核心效果,并借助大小槽协同作用,在大槽中使汽泡生长和脱离的目的。协同表面在低热流密度情况下,小槽底部的超疏水涂层能够降低起始沸腾的过热度,汽化核心主要在小槽中产生,但小槽内限制了汽泡的生长,但小槽中产生的毛细压力可以使槽内迅速充满液体,促进了汽泡在槽内的脱离,增强了沸腾换热效果。在高热流密度情况下,汽泡的生长过程发生了变化,汽化核心在小槽中产生,通过连接孔的形式在大槽中生长和脱离,大槽并没有限制汽泡的生长过程。而且在连接槽作用下,小槽内产生的毛细压力也能使大槽迅速充满液体,有充足的过热液体,汽泡脱离直径减小,生长时间变短,从而增强了沸腾换热效果。由此可见,微尺度协同结构能够达到产生毛细力的作用,从而使液体能够更快到达汽化核心点;大槽与小槽之间的连接槽使得大槽也能快速的充满液体,强化沸腾传热的效果。

附图说明

图1是一种强化沸腾换热的微尺度协同表面结构三维简图;

图2是大槽与小槽的结构特征;

图3是连接槽的结构特征;

图中:1大槽;2小槽;3连接槽;4微肋;5基面;6超疏水涂层。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案,进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1~3所示,一种表面强化沸腾换热的微尺度协同结构,包括大槽1、小槽2、连接槽3、微肋4、基面5和超疏水涂层6;所述的强化沸腾结构的基面5表面通过机械切削、结构电镀或激光烧灼形成协同尺度表面;在基面5表面通过微肋4分割形成大槽1、小槽2和连接槽3;

所述的大槽1与小槽2为交错排布,大槽1与小槽2由多个均匀、间隔排布的微肋形成,微肋的宽度l3为50-100μm;小槽2的槽宽l1为50-100μm,小槽2槽深h为200-300μm;大槽1的槽宽l2为400-700μm;小槽2通过化学和机械方式形成超疏水涂层6;

所述的连接槽3为同一排微肋,各微肋之间的距离一样;微肋的长度l4为500-800μm,连接槽3的槽宽l5为150-250μm。

所述的基面5的材质包括金属和无机非金属材料。

所述的超疏水涂层6为含氟的聚合物的低表面能材料。

所述的大槽1与小槽2的材质包括金属和无机非金属材料,采用与基面5相同的材料。

所述表面结构强化沸腾的方法,不同热流密度情况下,激活不同结构尺寸的汽化核心。在热流密度较小的,汽化核心产生的地方是在小槽2底部的疏水表面中,随着热流密度的增加,汽泡的直径增大,小槽2内会限制汽泡的生长。在较高热流密度情况下,连接槽3的汽化核心会被激活,随着汽泡直径的增加,汽泡会往大槽1中生长、脱离。大槽1中充足的过热液体,能够加快汽泡的生长和脱离,达到强化沸腾的作用。而在高热流密度情况下,大槽1内的汽化核心被激活,使得汽泡脱离直径更大,且由于大槽1内有充足的液体,汽泡脱离频率更快。这种微尺度协同结构表面,本身是一种亲水表面,能够满足沸腾换热对毛细压力的要求。又能在较大范围内满足汽泡对结构尺寸的需求,从而能够强化沸腾传热。

本发明的具体工作过程如下:

在池沸腾换热状况下,沸腾换热表面在被加热升温后,达到较小过热度情况下,小槽2底部的超疏水涂层6表面开始产生汽泡。这是主要是由于疏水表面材料能够降低表面沸腾起始温度,从而在较低过热度下产生汽化核心,此时汽泡主要是在小槽2中产生,而且这种微结构还具有一定的亲水功能,能够加快汽泡生长,促使汽泡快速的脱离表面,从而达到强化低过热度沸腾换热的效果。随着加热功率的增加,汽泡脱离直径增加,这是由于水的表面张力随着温度的升高而减小,导致汽泡脱离时的直径更大。而此时小槽2内槽宽很小,限制了汽泡的增长,但连接槽3内附近的汽化核心会被激活,随着汽泡的直径的增加,汽泡会往大槽1方向生长和脱离,而且大槽1中有足够的过热液体并且不限制汽泡的生长,能够加快汽泡的脱离,达到强化沸腾传热的效果。由于小槽2中产生的毛细压力,使得汽泡脱后在大槽1中产生的空穴能够迅速充满液体,为下一个汽泡的生长和脱离做准备。高热流密度情况下,大槽1内的汽化核心会被激活,且由于汽泡生长没有受到槽宽的限制,汽泡的直径增加,带走的汽化潜热更大。同时,小槽2中产生的毛细压力能够使液体从连接槽中流向大槽1,保证大槽1内有充足的液体,加快汽泡脱离的频率,强化了沸腾换热效果。由于该微尺度协同表面结构具有亲水性,能够延迟临界热流密度。这种结构表面能在较大热流密度区域内,满足液体吸入和汽泡脱离对结构尺寸的要求,达到强化沸腾传热的作用。



技术特征:

技术总结
本发明属于强化传热技术领域,一种强化沸腾换热的微尺度协同表面结构,包括大槽、小槽、连接槽、微肋、基面和超疏水涂层;所述强化沸腾换热结构的基表面通过机械切削、结构电镀或激光烧灼形成协同尺度表面;基表面通过肋条分割形成大槽、小槽和连接槽。本发明的微尺度协同结构表面能够达到产生毛细力作用,使液体能更快到达汽化核心点,并且还能满足不同过热度条件下,沸腾换热汽化过程对尺度的需求,而且大槽与小槽之间的连接槽使得槽间液体相互作用,蒸汽更容易排出,进而强化沸腾传热。

技术研发人员:吕继组;白敏丽;高林松
受保护的技术使用者:大连理工大学
技术研发日:2019.03.28
技术公布日:2019.07.05
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